Experimental and numerical characterization of carbon fibre reinforced polymer

This thesis work is focused on studying the mechanical behaviour of carbon fibre reinforced polymers (CFRP), both through an experimental campaign and by the validation of the material model exploiting finite element (FE) models. The activity has been carried out as part of the European project SAMAS. SAMAS is the third project coordinated by Politecnico di Milano (Department of Mechanical Engineering) within the European Defence Agency (EDA). The project focuses on structural health monitoring on composite structure, specifically concerning the application to unmanned aircraft systems. This work finds its place at the beginning of this vast project so tests to determine the mechanical behaviour of the material are presented. The material tested is named Cytec 977-2-34%-24K IMS-196-T1, it is a prepreg made of carbon fibres and epoxy resin having high mechanical properties. These tests are static, tensile and three point bending, through which it has been possible to obtain the main mechanical properties of the lamina out of which the composite material is built. According to the results obtained from these experiments, FE models are developed to assess the mechanical behaviour of the composite material in a numerical environment with focus on the capability of the model to mimic the response of the material under different loading conditions. The experimental tests have been carried out in the CLASD laboratory in Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano. The FE modelling of the CFRP composite is presented in detail, the numerical software used for the analyses is LS-DYNA; it has been chosen because it is suitable for modelling more complex loading events (to which the material will be assessed in the future) like impacts. The methods and the criteria used for modelling the material will be deeply discussed in the next sections and the numerical results are compared with the experimental results. Last analyses show the results of ballistic impacts on a composite plate made of the same material. At present it was not possible compare to experimental results because they are scheduled for the future but they are still useful to have a realistic idea of the behaviour of the material facing such situation and for defining the experimental set up for impact tests.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio del comportamento meccanico di un materiale composito, costituito da una matrice polimerica e fibre di carbonio. Lo studio è stato svolto attraverso prove sperimentali in laboratorio e successiva modellazione numerica grazie ad un software per modellazione ad elementi finiti. Il lavoro è parte del progetto europeo SAMAS, il terzo gestito dal Politecnico di Milano per l’Agenzia Europea per la Difesa; il progetto è incentrato sul monitoraggio dell’integrità strutturale di materiali compositi, in questo caso specifico applicati ad aeromobili a pilotaggio remoto. Questo lavoro di tesi si colloca all’inizio del suddetto progetto quindi le prove sperimentali effettuate per determinare le proprietà meccaniche del materiale sono presentate. Il materiale studiato è chiamato Cytec 977-2-34%-24K IMS-196-T1, un prepreg costituito da fibre di carbonio e matrice epossidica con elevate prestazioni meccaniche. Le prove effettuate sono statiche a trazione e flessione a tre punti, attraverso le quali è stato possibile ottenere le principali proprietà meccaniche delle lamine di cui il materiale composito è costituito. In base ai risultati ottenuti da queste prove è stato possibile creare un modello di materiale che implementato in un software per analisi ad elementi finiti permettesse di replicare quanto ottenuto dalle prove sperimentali, con l’obbiettivo di essere in grado di fornire risultati affidabili anche quando il materiale è sottoposto ad altri tipi di sollecitazioni. Le prove sperimentali sono state svolte nel laboratorio di meccanica CLASD nel Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano. È quindi presentata in dettaglio l’analisi ad elementi finiti svolta attraverso il software LS-DYNA, scelto poiché ideale a simulare sollecitazioni complesse come prove d’impatto, alle quale il composito sarà sperimentalmente sottoposto in futuro. I dettagli e modelli utilizzati nell’analisi ad elementi finiti sono presentati dettagliatamente nei successivi capitoli ed i risultati ottenuti da questi sono presentati e confrontati con quelli ottenuti dalle prove in laboratorio. Come ultimo i risultati di analisi di impatto balistico su lamine dello stesso materiale sono mostrati, non è stato tuttavia possibile confrontarli con risultati di prove sperimentali poiché queste sono programmate in fasi successive del progetto; in ogni caso queste analisi sono utili per avere un’idea del comportamento del materiale quando soggetto a condizioni di carico ed anche per pianificare con attenzione il set up sperimentale per le prove di impatto.